[发明专利]一种柔性的MEMS气泡压力传感器及其应用和制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其是一种柔性的MEMS气泡压力传感器及其制备方法，用于测量气体和液体环境的压力，属于MEMS器件设计制造领域。

背景技术

用于气体或液体压力测量的压力传感器有着极其广泛的应用，而采用MEMS技术制作的压力传感器具有体积小、价格低、可批量化生产的优点，此类微型化的器件尤其便于集成安装和测量。近年来传感器技术开始在生物医学领域大量应用，人体生理参数压力传感器被广泛的应用在微创的活体内测量，如颅内压力监测、介入式血管内血流压力测量、以及眼内压力测量等。

为了满足微创医疗的要求，此类压力传感器相比其他应用领域的器件具有更小的尺寸，例如，目前用于冠状动脉压力测量的压力导丝直径仅为0.36mm，该压力导丝所用到的一款压力传感器尺寸为100×150×1300μm，是目前世界上尺寸最小的测量血压的压力传感器。同时，由于使用环境的特殊性，要求此类传感器具有良好的生物兼容性，以免引起炎症反应和血栓形成，因此对器件的材料和封装提出了较高的要求；此外，由于此类传感器大多属于一次性使用的耗材，传感器的制作成本应尽量低，否则将加剧患者的经济压力和资源的浪费，从而限制其应用。

目前的MEMS压力传感器都是基于硅基底的，例如压阻式和电容式的压力传感器，其结构通常是在一个硬的基底上制作出一个微腔体，该腔体由一个可变形的柔性膜所封闭，该柔性薄膜在外界压力变化时发生挠度的变化，通过测量该薄膜的变形来计算外界压力的变化。但是，此种结构和测量原理通常意味着复杂的制作工艺和相对较大的体积尺寸，而且器件必须封装以提高硅等脆性材料的生物兼容性。

因此，开发一种测量原理新颖、制作工艺简单、生物相容性良好以及尺寸更小的MEMS压力传感器尤为重要，其对于MEMS压力传感器在生物医学领域内的应用和拓展将具有极其重要的意义。

发明内容

针对现有MEMS压力传感器技术中的局限性，本发明的目的是提供一种全新MEMS压力传感器方案，该压力传感器测量原理新颖、制作工艺简单、生物相容性良好以及尺寸更小。

根据本发明的一个方面，提供一种柔性的MEMS气泡压力传感器，所述传感器包括微腔体、一对测量电极和两个微通道，其中：

微腔体，是由第一层Parylene薄膜和第二层Parylene薄膜通过释放位于两层Parylene薄膜中间的牺牲层光刻胶形成的微腔体；

微腔体，呈狭长状，微腔体的一端封闭、另一端开口，在该开口的中部封闭将开口分割形成两个平行的微通道；微腔体在浸入溶液中后形成用于压力测量的微气泡；

一对测量电极，作为测量微气泡大小的电化学测量电极，位于第一层Parylene薄膜、第二层Parylene薄膜之间；一对测量电极分别布置在微腔体的两端，其中一个位于微腔体的封闭一端内部、另一个位于微腔体的开口一端；

所述气泡压力传感器利用毛细力之内角流动原理，利用毛细力将导电溶液吸入微腔体中形成微气泡，并用微气泡作为压力测量的敏感单元，用于短时间内的液体和气体压力的测量；测量微气泡随外界压力变化时的阻抗变化，该阻抗变化能够反映微气泡大小的变化，从而反映外界环境压力的变化。

优选地，所述的微腔体沿垂直方向上投影呈矩形，在长度方向上一端封闭，另一端开口，开口被分割为两个平行的微通道。

更优选地，所述的微通道在形成微气泡后将微气泡捕获在微腔体内，在测量的过程中能有效可靠的防止微气泡溢出微腔体。

优选地，所述的微腔体的横截面(即垂直于长度方向)为弓形横截面；弓形横截面为轴对称图形，具有两个相等的截面内角，且截面内角均为锐角。

优选地，所述的微腔体能够在浸入溶液中后在微腔体中形成微气泡，具体的：在将微腔体浸入溶液环境中后，液体将在毛细力的作用下通过两个微通道流入微腔体，形成两条稳定的内角毛细流，由于微通道的尺寸相对于微腔体的尺寸更小，原来残留在微腔体内的气体将被封闭在微腔体中无法排出，两条内角毛细流分别沿着微腔体两侧锐利的内角向微腔体内流动，随后在微腔体的另一端处汇合，外部液体持续流入微腔体，压缩封闭在微腔体中的气体，直至液体压力、气体压力以及弯液面附加压力达到平衡。

更优选地，同时采用氧等离子对微腔体的结构材料Parylene内表面和外表面进行改性，降低溶液和Parylene的接触角θ，使其满足Concus-Finn条件：θ<π/2-α。